Материаловедение. Учебник для студентов высших учебных заведений Арзамасов В. Б., Волчков А. Н
 Скачать 4.56 Mb.
|
|
ГЛАВА 18. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ И ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Технологический процесс изготовления изделий из композиционных и порошковых материалов имеет ряд организационных и технологических особенностей. 18.1. Изготовление изделий из композиционных материалов На первой стадии создания изделия из композиционного материала (КМ) разрабатывается конструкции самого изделия, определяются необходимые его эксплуатационные свойства. На второй стадии производится выбор компонентов КМ, их концентрации, формы и ориентации наполнителя (армирующего волокна). На третьей стадии определяются оптимальные технологические процессы производства, позволяющие получить изделие заданной формы и свойств. На практике не существует универсального технологического процесса, пригодного для получения любого изделия из КМ. Неудачный выбор компонентов, ошибки в выборе технологического метода и режимов обработки приводят к получению изделий со свойствами, не отвечающими условиям его эксплуатации. Поэтому, получение изделий из КМ это единый взаимосвязанный процесс, в котором получение самого КМ и изделия из него часто происходят одновременно. Волокна для армирования композиционного материала Для армирования КМ с металлической матрицей используются высокопрочные волокна углерода, бора, карбида кремния и вольфрама, оксидов алюминия и циркония, проволоку из стали, вольфрамовых или молибденовых сплавов, нитевидные кристаллы. Волокна углерода или бора используют для армирования КМ с алюминиевой или магниевой матрицей (температура длительной эксплуатации 300 … 400 о С). Применение волокон бора с покрытием из 499 карбида кремния позволяет поднять температуру эксплуатации изделия до 600 о С. Волокна из карбида кремния и вольфрама используют для армирования жаропрочных КМ с матрицей из никелевохромистых сплавов (1100…1300 о С). Применение волокон из оксидов алюминия или циркония позволяет поднять температуру длительной эксплуатации изделия до 1400…1600 о С. Проволоку из стали, вольфрамовых и молибденовых сплавов используют для армирования высокопрочных КМ. Армирование нитевидными кристаллами (усами) для получения высокопрочных и жаропрочных КМ. Физико - механические свойства армирующих волокон проведены в табл. 18.1. Таблица 18.1. Волокно Плотность, кг/м 3 Предел прочности на растяжение, МПа Модуль упругости, в МПа Диаметр волокна, мкм Углерода 1400-2000 до 3500 до 700000 5-12 Бора 2400-3000 до 3800 до 400000 10-12 Карбида кремния 3200-3500 1770-2500 до 480000 10-15 Усы из карбида кремния 3300 21000 490000 3-5 Получение полуфабрикатов и изделий На начальном этапе необходимы вспомогательные операции очистки, мойки, сушки волокон, объединение их в жгуты или каркасы, получение элементарных соединений «матрица - волокно», сборка слоев. Из разориентированных волокон (кристаллов) изготавливают полуфабрикаты в виде войлок или матов, используя жидкостные, вакуумные воздушные или гравитационные способы войлокования. На рис. 18.1 показан жидкостный способ. Суспензия 1 из питающего бака поступает на сетку 2 транспортера 7. Сетка покрыта фильтровальной бумагой. Слой суспензии 500 проходит над камерами 6 для отсоса жидкости. Прижимными валками 3 войлок 5 уплотняется и поступает в печь 4, где просушивается или спекается. Для получения армирующих ориентированных элементов используется текстильная технология – волокна соединяют в пряжу (нить из коротких волокон соединенных путем кручения). Пряжа используется непосредственно или сшивается в ткань (ленту). Рис. 18.1. Схема жидкостного войлокования коротких волокон: 1 – суспензия; 2 – сетка с фильтрованной бумагой; 3- прижимные валки; 4 – печь; 5 – войлок; 6 – камеры для отсоса жидкости; 7 – транспортер. Жесткие волокна (вольфрама, молибдена, ниобия и их сплавов) ориентируют в виде пакетов, лент, рулонов ( рис. 18.2). Пакеты получают за счет послойной укладки рифленой фольги 1 из материала матрицы, армирующих волокон 4 и волокон 3 из материала матрицы или другого материала. Вся система объединяется полосами 2 из материала матрицы. Ленты получают за счет поочередной укладки армирующих волокон и волокон из материала матрицы. Для закрепления волокон на них наносится тонкий слой материала матрицы. При необходимости, ленты сматываются в рулоны. Рис. 18.2. Армированные пакеты (а) и ленты (б): 1 - рифленая фольга; 2 – полосы матрицы; 3, 4 – волокна. 501 Полуфабрикаты обычно выпускаются в виде листов, труб, профилей. Основой производства полуфабрикатов и изделий служат так называемые препреги – однослойные ленты с одним рядом армирующих волокон или тканей пропитанных или покрытых (с одной или с двух сторон) материалом матрицы. Все технологические способы получения препрегов, полуфабрикатов и изделий из МКМ делятся на четыре группы: парогазофазные, жидкофазные, твердожидкофазные и твердофазные. Парогазофазные способы заключаются в нанесении на волокна жгута, ленты или ткани специальных покрытий (барьерных, технологических). Этот способ обладает низкой производительностью и не применяется для полного компактирования МКМ. Жидкофазные способы являются универсальными как для получения самих МКМ, так и для получения полуфабрикатов и изделий из них. К этим способам относятся протяжка волокон, жгутов или тканей через расплав материала матрицы, пропитка препрегов материалом матрицы, плазменное или газотермическое распыление материала матрицы для получения ленточных препрегов. При изготовления МКМ наибольшее применение получила пропитка, которая в зависимости от смачиваемости армирующих компонентов и расплава матрицы может быть самопроизвольной или под давлением. Наиболее перспективным и производительным способом самопроизвольной пропитки при минимальных трудозатратах и капиталовложений является способ вертикальной непрерывной пропитки. При этом способе армирующий каркас 502 непрерывно протягивается через расплав материала матрицы и на выходе через фильеру получаются полуфабрикаты с высоким объемным содержанием армирующих волокон ( рис . 18.3). Рис. 18.3. Схема процесса вертикальной непрерывной пропитки (а) и полуфабрикаты (б):1 - разделительные волокна; 2 – ванна с расплавом; 3 – ограничители; 4 – композиционный пучок. Пропитку под давлением (принудительную) применяют при недостаточной смачиваемости волокон материалом матрицы или для ускорения процесса пропитки для компонентов с удовлетворительной или хорошей смачиваемостью. При вакуумной пропитке каркас помещается в форму, расположенную вертикально и соединенную сверху с тиглем, заполненным расплавом материала матрицы, а снизу – вакуумным насосом ( рис. 18.4). Заполнение пор расплавленным металлом осуществляется за счет разности между атмосферным давлением вместе с дополнительным давлением массы расплава в тигле и давлением в вакуумированных порах. Рис. 18.4. Схема вакуумной пропитки: 1 – пористая пробка; 2 – печь сопротивления; 3 – волокна; 4 – форма; 5 – тигель с расплавленной матрицей. Разновидностью пропитки под давлением является создание избыточного давления сжатым газом на зеркало расплава, залитого в каркас. 503 При твердожидкофазном способе получения полуфабрикатов и изделий путем прессования, волочения и прокатки лент, тканей или препрегов необходимо нанесение на них такого количества матричного металла, которого хватило бы в жидкой фазе для равномерной пропитки каркаса. Прессование в интервале температур кристаллизации материала матрицы проводится при относительно невысоких давлениях и уменьшает вероятность разрушения волокон. Твердофазные способы применяют для соединения (компактирования) изделий из полуфабрикатов при возможности их совместного деформирования без разрушения арматуры. Особые требования при этом предъявляют к чистоте поверхности контактирующих компонентов, отсутствию оксидных пленок на их поверхности и т.д. Если компоненты арматуры обладают высокой пластичностью, то уплотнять их можно ковкой, прокаткой и другими видами обработки давлением. Из приведенных технологий получения изделий из МКМ в промышленности чаще всего применяют способы пропитки, непрерывного литья и прокатки. 18.2. Изготовление деталей из композиционных материалов с неметаллической матрицей К основным способам изготовления деталей из полимерных композиционных материалов относятся контактная и автоклавная формовки, стирометод, вихревое напыление, центробежная формовка и намотка. Контактной формовкой изготовляют крупногабаритные детали с наполнителями из стеклотканей, стекломатов и т.д. Перед формовкой на рабочие поверхности формы наносят разделительный слой, предотвращающий прилипание связующего к поверхности формы. Затем наносят связующее, укладывают предварительно раскроенную ткань и тщательно прикатывают полученную композицию резиновым роликом для 504 плотного прилегания ткани и поверхности формы, удаления пузырьков воздуха и равномерной пропитке ткани связующим. Операцию повторяют столько раз, сколько требуется для получения заданной толщины. Отверждение происходит или при нормальной температуре или при 60…120ºС. После отверждения готовую деталь извлекают из формы и при необходимости подвергают дальнейшей обработке (окраске, обрезке кромок, штамповке и т.д.). Простота оснастки и возможность получения деталей любых размеров и форм являются положительными особенностями контактной формовки, но этот метод малопроизводителен и поэтому применяется в единичном производстве. Для серийного производства применяют автоклавную формовку. Форму с полуфабрикатом накрывают резиновым чехлом, помещают в автоклав и с помощью воды или пара создают давление, при этом происходит уплотнение и пропитка слоев полуфабриката. Стирометодом изготовляют крупногабаритные детали из композиционных пластиков с замкнутым полым профилем. На тонкостенный шланг из поливинилхлорида наматывают волокно. Заготовку укладывают в разогретую до 100…120ºС пресс - форму. В шланг под давлением подается воздух, при этом заготовка растягивается и приобретает конфигурацию внутренней полости пресс - формы. Связующее засасывается в пространство между шлангом и пресс - формой за счет создания вакуума. Вихревым напылением изготовляют крупногабаритные детали из стеклопластиков (кузова автомобилей, корпуса лодок, емкости и др.). На стекловолокно, уложенное на форму, специальным пульверизатором наносят смолу с отвердителем (связующим) и затем уплотняют резиновым роликом. Центробежной формовкой получают крупногабаритные детали, имеющие форму тел вращения. Стекловолокно и связующее подаются во вращающуюся форму. Затем внутрь заготовки помещают резиновый чехол, который под действием давления растягивается и уплотняет заготовку. В 505 таком состоянии происходит отверждение заготовки при определенной температуре. Намоткой получают трубы и сложные по форме оболочки из пластиков. На металлическую оправку, покрытую целлофановой пленкой, наматывают волокно или ткань, смоченную связующим. Отформованную заготовку покрывают целлофановой пленкой, снимают с оправки и переносят в камеру для отверждения. Технологический процесс изготовления деталей из резиновых композиционных включает в себя цепочку из операций приготовления резиновой шихты (противостаритель, каучук, вулканизатор), формования и вулканизации. Переработка резиновой шихты в детали (формование) может производиться методами прессования, литьем под давлением, непрерывным выдавливанием и каландрованием. За исключением каландрования все остальные операции подобны технологическим процессам формообразования деталей из пластмасс. Прессованием получают фасонные детали (манжеты, уплотнительные кольца, клиновые ремни и т.д.). Прессуют в металлических формах. При горячем прессовании (140…155ºС) одновременно происходят формообразование и вулканизация. Холодным прессованием получают детали из эбонитовых смесей (каучук, сера, отходы эбонитового производства), затем вулканизируют. Литьем под давлением получают детали сложной формы. Резиновая смесь поступает под давлением при 80…120ºС в литейную форму, затем проводят вулканизацию. Для получения методом непрерывного выдавливания профилированных резиновых деталей (трубы, прутки, профили) применяют машины червячного типа. Таким способом покрывают резиной металлическую проволоку. 506 Каландрование применяют для получения заготовок из резиновых смесей в виде листов и прорезиненных лент на многовалковых установках - каландрах (рис . 18.5). Рис. 18.5. Схема каландрования: 1 – барабан с прорезиненной лентой (тканью); 2 – барабан с тканью – основой; 3 – валки каландров; 4 – пластифицированная резиновая смесь. Полученные листы резины пересыпают тальком, сматывают в рулоны и используют затем в качестве полуфабриката для других процессов формообразования резиновых деталей. В процессе получения прорезиненной ткани 1 в зазор между вращающимися валками каландров 3 одновременно пропускают пластифицированную резиновую смесь 4 и ткань 2, при этом происходит втирание резиновой смеси в ткань. Изменяя зазор между валками каландра можно регулировать толщину резиновой пленки на ткани. Полученный материал наматывают на барабан и затем подвергают вулканизации. Вулканизация завершает технологический процесс получения деталей. Вулканизацию проводят в специальных камерах при температурах 120…150ºС в атмосфере насыщенного водяного пара при небольших давлениях. При вулканизации происходит химическая реакция между серой и каучуком, в результате которой механическая прочность заготовок увеличивается и повышается стойкость к воздействию органических растворителей. 507 18.3. Изготовление изделий из порошковых материалов Процесс изготовления изделий из порошковых композиционных материалов включает в себя операции изготовления порошков, формования, спекания и окончательной обработки с целью повышения физико - механических свойств, получения окончательных размеров и формы, нанесения декоративных и защитных покрытий. Изготовление порошков Все методы изготовления порошков можно разделить на два способа: физико - механический и химико - металлургический. При физико - механическом способе превращение исходного материала в порошок происходит за счет механического измельчения материала в твердом или жидком состоянии без изменения его химического состава. К физико - механическим способам относятся дробление, размол, распыление, грануляция обработка резанием. При химико - металлургическом способе изменяется химический состав или агрегатное состояние исходного материала. К химико - металлургическим способам относятся: восстановление окислов, электролиз, термическая диссоциация карбонильных соединений. Механическое размельчение (дробление, размол, истирание) наиболее целесообразно применять к хрупким материалам, металлам и их сплавам (кремний, сурьма, хром, марганец, ферросплавы, сплавы алюминия с магнием). Для грубого размельчения (размер частиц 1 … 10мм) используют дробилки (валковые, конусные, бегунки). Для тонкого измельчения используют шаровые вращающиеся, вибрационные, планетарные и другие мельницы. Рассмотрим работу шаровой мельницы ( рис. 18.6). В мельницу загружают размольные тела 1 (стальные или твердосплавные шары) и измельчаемый материал. В зависимости от частоты вращения барабана 2 и массы размольного тела возможны четыре режима. При небольших частотах 508 вращения шары скользят по внутренней поверхности барабана ( рис. 18.6, а) и истирают измельчаемый материал. При увеличении частоты вращения ( рис. 18.6, б) шары поднимаются и скатываются по наклонной поверхности, что приводит к более интенсивному истиранию измельчаемого материала. При дальнейшем увеличении частоты вращения ( рис. 18.6, в) шары поднимаются на определенную высоту и падают на измельчаемый материал. К истирающему воздействию добавляется дробящее. При критической частоте ( рис. 18.6, г) вращения шары вращаются вместе с барабаном и измельчение прекращается. Несмотря на простоту конструкции мельницы, можно получить частицы измельчаемого материала от единиц до десятков микрометров, форма частиц порошка – осколочная ( рис. 18.6, д). Распыление и грануляция применяются для изготовления порошков металлов с температурой плавления до 1600 о С (алюминий, железо, сталь, цинк, медь, свинец, никель и их сплавы). Сущность измельчения состоит в дроблении струи расплава ( рис. 18.7) высокоэнергонасыщенным газом. В зависимости от свойств расплава и требований к качеству порошка применяют распыление воздухом, азотом, аргоном, гелием. Размеры частиц порошка от 1 до 0,01 мм, форма частиц – сферическая или каплевидная. Химико - металлургический метод (восстановление металлов из окислов или солей) основан на реакции восстановления. В общем виде ее можно записать: MeA+X↔ Me +A –Q, где: Me – металл; A – неметаллическая составляющая (кислород, хлор, фтор, солевой остаток); X – восстановитель; Q – тепловой эффект реакции. 509 Рис. 18.6. Схемы движения размольных тел в шаровой мельнице: а – режим скольжения; б – режим перекатывания; в – режим свободного скольжения и удара; г – режим критической скорости; д – форма частиц порошка; 1 – размольное тело; 2 – барабан. Рис. 18.7. Схема форсунки для распыления. Восстановителем может быть вещество, которое при выбранной температуре имеет большее химическое сродство к неметаллической составляющей, чем металл. В качестве восстановителя используется водород, окись углерода, аммиак, природный газ, кокс и т.д. Сырьем для восстановление медных, никелевых и кобальтовых порошков служат: окись меди (Cu 2 O; CuO), закись никеля (NiO), окись кобальта (Co 2 O 3 ; Co 3 O 4 ). Восстановление проводят в муфельных печах водородом, диссоциированным аммиаком, природным газом. Температура восстановления: для меди – 400…500 о С; для никеля – 700…750 о С ; для 510 кобальта – 520…570 о С. После восстановления получают губку, которая хорошо растирается в порошок. Сырьем для восстановления вольфрама служит продукт разложения вольфрамовой кислоты H 2 WO 4 - вольфрамовый ангидрид или паравольфрамат аммония 5Na 2 O*12WO 3 *11H 2 O. Восстановление проводят в электропечах или водородом (850…900 о С), или углеродом (1350…1550 о С). Аналогично получают порошки молибдена, титана, циркония, ниобия, стали. Формование металлических порошков Целью формования является придание заготовкам из порошка формы, размеров, плотности и механической прочности, необходимых для последующего изготовления изделия. Формование включает в себя отжиг, классификацию, приготовление смеси, дозирование и собственно формование. Отжиг необходим для повышения пластичности и прессуемости порошка, за счет восстановления остаточных окислов и снятия наклепа. Нагрев осуществляют в защитной (инертной, восстановительной) атмосфере или в вакууме при температуре 0,4…0,6 температуры плавления. Классификация – сортировка по размеру осуществляется в ситах (крупные порошки, размером до 50 мкм) или методами воздушной сепарации (более мелкие порошки). Перед смешением в металлические порошки вводят технологические присадки различного назначения: пластификаторы (парафин, стеарин и так далее), облегчающие процесс прессования; легкоплавкие металлы, улучшающие процесс спекания; летучие вещества для получения деталей заданной пористостью. Подготовленные порошки смешиваются в различных устройствах (шаровые мельницы, вращающиеся барабаны и так далее) и затем проводят их формование. Формование заготовок из ПКМ производится методами прессования, изостатического формования, прокаткой или выдавливанием. 511 При холодном прессовании ( рис. 18.8, а) порошок 1 засыпается в пресс - форму 2 и прессуют пуансоном 3. Под действием давления происходит уплотнение порошка и деформация отдельных частиц. Прочность получаемого брикета зависит от приложенного давления, которое распределяется неравномерно по его высоте из - за возникающих сил трения между стенками пресс - формы и порошком. После одностороннего холодного прессования прочность и пористость по высоте брикета различаются, поэтому одностороннее холодное прессование применяют для заготовок простой формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы. Заготовки более сложной формы прессуют набором пуансонов ( рис. 18.8, б). Для получения заготовок сложной формы применяют двустороннее прессование ( рис . 18.8, в), при этом для получения равномерных показателей плотности и прочности давление снижается на 30…40%. Кривая упрочнения частиц порошка ( рис . 18.8, г) имеет три характерных участка: На участке «А» идет наиболее интенсивное нарастание плотности при относительно свободном перемещении частиц, занимающих пустоты. На участке «Б» возрастание давления практически не влияет на плотность. По достижении предела текучести при сжатии порошкового тела начинается деформация частиц (участок «В»). Рис. 18.8. Схемы холодного прессования: а – одностороннего, одним пуансоном: б – одностороннего, набором пуансонов; в - двустороннего; г – кривая процесса упрочнения; 1 – порошок; 2 – пресс-форма; 3 – пуансон; А, Б, В – участки кривой упрочнения. 512 При горячем прессовании (с нагревом до 0,6…0,8 температуры плавления) одновременно протекают процессы формообразования и спекания заготовки. Нагрев приводит к интенсификации процессов уплотнения, что позволяет уменьшить давление прессования и получать компактные заготовки с высокими показателями механических свойств и однородностью структуры. Недостаток горячего прессования – малая стойкость пресс - форм, которые выдерживают 10…12 прессований и, соответственно низкая производительность процесса. При изостатическом (всестороннем) прессовании отсутствуют потери на внешнее трение, а равномерность всестороннего давления позволяет получать требуемую плотность заготовки при давлениях меньших, чем при прессовании в закрытых пресс - формах. В промышленности освоены три основных вида изостатического формования: гидростатическое, формование с помощью эластичной оболочки и горячее формование. При гидростатическом формовании ( рис . 18.9) на порошок 3, заключенный в эластичную оболочку 2, передается давление с помощью жидкости (вода, масло, глицерин), находящейся в сосуде высокого давления 1. Рис. 18.9 Схема гидростатического формования: 1 – сосуд высокого давления; 2 – эластичная оболочка; 3 – порошок. При формовании брикетов с помощью эластичной оболочки, вставленной в стальную пресс - форму, давление передается через оболочку, которая одновременно изолирует порошок от стенок пресс - формы. Этот 513 способ применяют в основном для получения крупногабаритных заготовок типа труб. При горячем формовании порошок помещают в эластичную металлическую оболочку, которая нагревается и подвергается давлению, при этом совмещаются процессы формования и спекания. Прокатка – наиболее производительный способ получения изделий из порошков с высокой степенью автоматизации и непрерывности процесса, позволяющий получать однослойные ( рис. 18.10, а) и многослойные ( рис. 18.10, б) ленты или полосы, прутки различного профиля и проволоку. В бункер 1 непрерывно поступает порошок 2, который, попадая в зазор между вращающимися валками 3 вытягивается в ленту или полосу 4 определенной толщины. Процесс формования может быть совмещен со спеканием при прохождении ленты через печь и последующим обжатием для получения необходимых размеров. Рис. 18.10. Схема прокатки порошков: а – для изготовления однослойных полуфабрикатов; б - для изготовления двухслойных полуфабрикатов; 1 – бункер; 2 – порошок; 3 – валки; 4 – лента или полоса; 5 – перегородка. Выдавливание применяют для изготовления труб и профилей различного сечения путем выдавливания порошка через калиброванное отверстие. Перед выдавливанием в порошок добавляют пластификатор (10…12% от массы порошка) для улучшения процесса соединения частиц и уменьшения трения между порошком и стенками пресс - формы. 514 Для повышения прочности прессованных заготовок проводят спекание при температурах ниже температуры плавления основного порошка композиции. При спекании происходит усиление контакта между отдельными частицами порошка за счет восстановления поверхностных оксидов, диффузии и рекристаллизации. В процессе спекания происходит усадка и в ряде случаев можно получить заготовки с минимальной пористостью и высоким комплексом физико - механических свойств. Как правило, спекание проводят в электропечах сопротивления или в индукционных печах в восстановительной атмосфере или в вакууме. Для повышения физико - механических свойств спеченных заготовок часто применяют повторное прессование и спекание, пропитку смазочными материалами (для антифрикционных деталей), отжиг, закалку, а также химико - термическую обработку. Спеченные материалы можно подвергать всем видам обработки давлением: ковке, прокатке, штамповые, что позволяет повысить пластичность материалов за счет уменьшения пористости. Контрольные вопросы 1. Какова температура длительной эксплуатации изделий из композиционных материалов армированных волокнами бора? 2. Что такое войлокование? 3. Как получают ориентированные пакеты из жестких волокон? 4. Как производится пропитка, армирующих компонентов? 5. Что такое контактная формовка? 6. Что такое автоклавная формовка? 7. Каким способом получают прорезиненные ткани? 8. Что такое вулканизация? 9. Как производят механическое размельчение порошков? 10. Что такое распыление порошков? 515 11. На чем основан химико - металлургический метод изготовления порошков? 12. Какими методами происходит формование заготовок из ПКМ? Опишите эти методы. |